不銹鋼熱絲TIG自動焊常見缺陷原因分析及防治措施*

王 康，李 政，劉 軍，王 雄，陳旭芳

(中國建筑第二工程局有限公司，北京 100160)

1 工程概況

華龍一號核電工程的不銹鋼單臺機組重約900t，該機組施工量較大，工期緊，采用天花先貼、模塊施工、熱絲TIG自動焊等新技術、新工藝，主要分布于核島IRWST水池、反應堆水池、ASG水池、ASP水池、EHR水池、乏燃料水池、轉運井、運載井、準備井等位置，質量要求較高(天花平整度≤20mm/m、池壁與池底平整度需≤5mm/m)、工藝實施難(對接焊縫均需進行100%VT+100%LT+100%PT+100%RT檢測，不允許存在直徑>0.5mm的氣孔)。核電站不銹鋼水池屬于核質保Q1級、核安全Ⅱ級設備，不銹鋼水池由底板、池壁和天花組成，水池材質為022Cr19Ni10，池壁和天花厚4mm，池底厚6mm，坡口為V形，角度為單邊(30+2.5)°，組對間隙為2～6mm。

為保證華龍一號不銹鋼水池后貼法的焊接質量，開工前通過模擬件施工，驗證整個施工方案的可行性和可操作性，即安裝誤差是否在可控范圍內，焊接質量及變形是否可控，焊接工藝參數在不同焊接位置、條件下是否出現問題，以改進工藝，防止再次發生缺陷。

2 模擬試驗

2.1 模擬試驗材料

覆面板材質為022Cr19Ni10，抗拉強度Rm≥490MPa；墊板(拍片槽)材質為022Cr19Ni10，抗拉強度Rm≥490MPa，使用φ1.2的大西洋焊絲ER308L。

2.2 模擬試驗設備

熱絲TIG自動焊設備由福尼斯熱絲電源、智能控制系統、弧壓跟蹤系統、數據通信及控制系統、冷卻水箱、焊接小車、柔性軌道、焊接電源和擺動送絲機構等構成，焊機型號為TransTig5000 job G/F。

2.3 模擬試驗制作

模擬件按照IRWST內環池構造進行1∶1模擬，所用材料材質、規格與覆面板相同。從內環池天花及池壁池底上選取一部分作為模擬件，其中天花結構包括覆面板、罩殼、預埋板、預埋管板、彎板、錨固組件等，池壁池底包括檢漏槽、預埋板、折彎板、壁板等。內環池在施工過程中的全部節點、施工環境、施工工藝和正式施工一致。根據以上原則，在征求工程公司工程師意見后，確定模擬件，如圖1所示。

圖1 模擬件三維示意

模擬件施工流程如下：根據設計圖紙，確定焊接工藝方案→按照質量計劃，對鋼板下料→加工鋼板坡口→構件組對(覆面板與墊板間隙<0.5mm)→覆面板進行自動焊焊接→進行無損檢測→分析射線檢測結果。

參考BS3RXC25232DPZS42SD《內環池-2.7m以下池壁鋼覆面焊接節點圖》設計圖紙中的W01焊接節點，結合覆面板與墊板貼合間隙，確定自動焊TIG焊打底無填充無擺動、填充加絲無擺動、蓋面加絲有擺動焊接工藝(見圖2)。

圖2 IRWST水池池壁覆面板焊接節點

模擬試驗按照生產產品流程，焊接前對參與模擬件焊接的操作人員進行焊接專項交底，將試件兩側各20mm區域內打磨干凈，避免氧化物或夾雜物影響焊接，自動焊焊接時要求風速≤2m/s、環境濕度<90%，焊接前應檢查所有工具、線路、電源開關及接地是否良好、零部件是否松動，嚴禁用其他金屬絲代替開關保險絲，檢查標定是否在有效期內，不得使用沒有標定和失效的工機具。焊接作業前必須了解周圍環境，確保無易燃易爆物品和氣體泄漏后才可進行，焊接的弧光火花必須與氧氣瓶、燃油等易燃易爆物品保持安全距離。實體焊縫焊接前還需使用1塊小試板進行引弧焊接，以確認焊機可以正常焊接。

3 模擬試驗結果及缺陷原因分析

3.1 模擬試驗結果

本次自動焊模擬試驗共9條焊縫：池壁4條，即橫焊1條、立焊3條；池底5條，全為PA位置。拍片結果中，35張底片共8張不合格，涉及5條焊縫，氣孔6張，其中0.6，0.7mm直徑的氣孔占3張、1mm直徑氣孔3張，包括1張2mm厚的夾渣、1張未熔合及燒穿缺陷。焊縫缺陷及位置如表1所示。

表1 焊縫缺陷及位置

3.2 缺陷原因分析

焊接過程中焊機運行正常，焊接小車與送絲機無死機、停頓等異常現象。模擬焊接時，環境溫度為22℃，濕度為81%，風速為0.1～0.6m/min。操作工為2名取證焊工，技能穩定，采用99.99%的純氬，手工焊、自動焊都進行集中供氣。

1)由于焊接環境濕度高達81%，距離禁止焊接的環境濕度90%只差9%，可能導致出現氣孔。

2)焊縫距墻面較近，影響操作工操作，可能造成焊接不穩定，導致熔池變化，出現問題。焊縫WXMNNJD009組對間隙局部為5.0～6.0mm，超過設計圖紙要求的0～4mm，WXMNNJD005焊縫在焊接過程中，局部組對間隙收縮到最小值1.8mm，導致焊縫熔池不能正常打開，影響焊縫成型，造成焊接缺陷。

3)WXMNNJQB014焊縫組對時，局部覆面板有拍片槽間隙，由于現場條件苛刻，導致貼合間隙>1.0mm，進行不加絲打底焊接時，造成覆面板與拍片槽貼合處不能有效熔合。

4)坡口質量較差，部分焊縫單邊坡口角度<(30±2.5)°，如WXMNNJQB017焊縫端部有缺失的坡口。

5)WXMNNJD009焊縫出現2mm厚的夾渣，經挖鑿發現，夾渣在墊板母材上，可能是母材缺陷。

6)墊板與埋件環組對有間隙，造成WXMNNJQB017(A3-1)被燒穿。

相比焊接送絲量與工藝卡，由于填充使用的送絲量偏大，尤其是WXMNNJD005焊縫局部組對間隙收縮到最小值1.8mm，送絲量1.8m/min偏大，造成氣體不能及時排出，形成氣孔。

4 防治措施

4.1 防治改進措施

1)現場焊接環境濕度偏高是普遍存在的客觀因素，需在自動焊區域設立專區或隔間，并配備專用除濕機，擺放溫濕度計時刻觀察。

2)為自動焊挑選焊縫時，盡量考慮焊接操作工的可操作性，避免部分焊縫因為位置或空間影響操作工的焊接。

3)焊接操作工需加強現場焊接經驗，若局部組對間隙偏大或偏小，需及時調整焊絲送絲量，避免每道焊縫熔敷金屬后，導致氣體不能及時溢出，形成氣孔。

4)覆面板與拍片槽貼合不嚴實，焊接前需進行檢查并標記，將貼合間隙>0.5mm的區域改為氬弧打底，采用自動焊填充蓋面的焊接方式。

5)自動焊焊接前必須驗證焊機設備狀態，采用小試板模擬焊接，以確認焊機焊接成型良好，運行順暢無卡頓。

6)現場在滿足條件的情況下，自動焊優先考慮焊接組對間隙為2.5～4mm的焊縫(經驗證，次組對間隙合格率最高)。

7)需將現場焊縫進行局部溜底焊，避免自動焊在完成焊縫填充蓋面后應力增大，將兩側焊縫點固點拉裂。

8)打底采用干燒不加絲焊接方式，有利于覆面板與拍片槽間的熔合，增加脈沖焊接，使電弧更精密、更聚弧、功率強度更密集，加大均勻熔深，減小熱影響區域，加大電弧壓力，有效連接拍片槽與覆面板。

9)通過自動焊弧壓跟蹤系統，實時監控自動焊接時的弧壓控制在11V，避免焊接過程中弧壓突變，造成焊接質量問題。

10)自動焊熱絲電流控制在50～60A，焊絲提前加熱，可提高焊接效率。

4.2 防治措施驗證

根據模擬件的焊接情況，驗證重新調整后的焊接參數，驗證試驗焊縫為3條，即1條橫縫、1條立縫、1條平縫，共16張底片。驗證試驗焊接前，編制專項焊接防止措施，重新將上次出現的問題及原因跟焊接操作工交底，了解重點控制細節及改進工藝。驗證試驗焊縫最終按照設計文件《不銹鋼覆面板建造-無損檢測(B.T.S)》進行目視檢測、滲透檢驗、真空檢漏檢驗、射線檢驗、無損檢測，結果全部合格，其中小缺陷在合格范圍內。

5 結語

通過焊接不銹鋼水池模擬試驗件，發現焊接過程中出現的常見焊接缺陷有氣孔、夾渣、未熔合、燒穿等，進而分析每種焊接缺陷，找到問題根源或防治措施，通過進一步的試驗驗證，確認防治措施可有效解決這些常見的焊接缺陷。通過最終驗證，發現如下防治措施對常見焊接缺陷具有參考價值。

1)減小焊絲填充速度，保證每層熔敷金屬厚度在1～2mm內，有利于熔池氣孔及夾渣溢出。

2)焊接前先進行加熱除濕，保證焊縫干燥，避免濕氣原因造成氣孔缺陷。

3)若覆面板與拍片槽貼合不嚴，可采用手工氬弧打底+自動焊填充蓋面工藝進行焊接，避免覆面板根部未熔合問題。

4)坡口加工時嚴格按照圖紙要求，以滿足制造進度要求，有利于自動焊接。

5)焊接過程一定選用適合當前焊縫的焊接工藝參數，焊接工藝參數偏大易燒穿、偏小則燒不透。

6)選用最佳組對間隙，即2.5～4mm，有利于保證焊縫質量，提高自動焊的一次合格率，有效防治焊接缺陷。